公開日：2020/04/11

10th Season

#10-3　LCDサブシステムを何とかせねば

　LCD1602と言う表示器(下図)があるのですが、4ビットバスと制御信号で結構I/Oポートを使うのと、16桁×2行しか表示できなくて、ちょっと使い難いんですね。



　そこで、Arduino Microを使って、I2C経由でデータを表示可能な「LCDサブシステム」ってものを作って、使っていたのですが、前回、肝心なMicroが壊れてしまったのです（１；＿；）。

　と、言う事で、急遽、LCDサブシステムを何とかしなくてはならない事態となってしまいました。

LCDサブシステム

　LCDサブシステムと言うのは、こんな感じの物(下図、外観)です。



　概略図は以下の様になります。



※元々、システムを設計した「#3-3　I2C接続 LCD表示モジュール」でも解説してありますので、併せてご覧ください。

　LCD1602の制御と、ユーザインターフェイス(U/I)としてのロータリエンコーダ制御に、Arduinoを1機丸々使った贅沢な装置です。I2Cで他の機器(I2Cマスタ)と接続して、I2C経由で受信した文字列を、LCD1602に表示します。
　最大の特徴は、バックログを持っていることです。I2Cマスタから受信したデータをLCD1602に表示すると同時に、メモリが許す限り、バックログに記憶して行きます。バックログに記憶したデータは、U/I(ロータリエンコーダ)を使って、まるでマウスのホイールを操作している感覚で、上下・左右に表示領域をスクロールして閲覧することが可能となっています(下図)。



※U/Iの操作方法はこちらをご参照ください。

　こうして見ると、16桁×2行の表示領域って狭すぎるでしょ？日付と時刻くらいの表示には十分だけれども、ちょっと長いセンテンスを表示しようとすると、あふれて見えなくなってしまいます。その点、バックログがあると、後から戻って閲覧できるので、便利なのです。
　最大で40桁×48行のバックログを有しています。ただし、Arduino(ATmega328)のRAMは2Kバイトしかないため、40×48＝1,920バイトのデータは、記憶できません。……スタックとか、自動変数とかで使用する領域も必要だからね。
　つまり、行内の文字数次第で、バックログに格納可能な文字数・行数は変動します。新たな1行を受信した時点でメモリが獲得できないと、その行にはASCIIコードで0xffの文字が表示されて、受信したデータは消失してしまいます。
　メモリ不足にならない限り、最新48行の受信データをバックログに記憶しており、U/Iを使ってバックログを自由に閲覧可能です。その状態で新たに1行受信すると、一番古いデータ(行)から順に消えて行きます。

※MicroのATmega32U4には、ATmega328よりも大きな2.5KバイトのRAMが搭載されているので、メモリ不足で表示できなくなる危険性は少し低かったのですが……。

I2CスレーブとしてPro Miniを使う

　I2Cスレーブとなって、LCD1602の制御を担うArduinoとして、元々、UNOとMicroでコンパイルできる様にプログラムしていたのだけど、今回使うPro Miniでは、#errorでコンパイルエラーが出るようになっていました。

　　#ifndef　ARDUINO_AVR_UNO
　　#ifndef　ARDUINO_AVR_LEONARDO
　　#error　"USE_ASM needs Arduino UNO/LEONARDO board configuration."
　　#endif　//　ARDUINO_AVR_LEONARDO
　　#endif　//　ARDUINO_AVR_UNO

　Pro Mini(下図)はUNOと同じATmega328を搭載しており、ほぼUNOと同じなので、#errorを出しているところだけ変更すれば、そのまま使えます。



　Pro Miniのプリデファインマクロは、ARDUINO_AVR_PROですので、この#ifdefを追加しても良いのですが、もう少し根元に遡って、MCUの型番で判定する様に変更しました(以下コード)。

　　#ifndef　__AVR_ATmega328P__
　　#ifndef　__AVR_ATmega32U4__
　　#error　"USE_ASM needs AVR ATmega328P or ATmega32U4."
　　#endif　//　__AVR_ATmega32U4__
　　#endif　//　__AVR_ATmega328P__

　Pro Miniでのコンパイル＆書き込みが可能となり、LCDサブシステムの動作を確認済みです。
　逆に、Microでの動作確認は、筆者手元では不可能となってしまったため、Microで動作するかどうかは、わからなくなってしまいました。Micro用の場合分け(#ifdef)コードは、そのまま残しておきますが、そんな状況ですのでご注意ください。

少し使い易くして見よう

　さて、良い機会なので、前からちょっと「対策したいな〜」と思っていたところを改定しておきたいと思います。

• 制御コードの追加・修正：
• こっちは、I2Cスレーブ側の機能改定。
• '\f'：FF(フォームフィード)コードを受信すると、バックログをクリアして更にLCD画面も消去していました。
• 時計表示とかにこの機能を使うと、秒表示を更新する度に、一瞬画面がちらついて見難かったりしたので、バックログはクリアするけどLCD画面は消去しない制御コードを追加したいと思います。
• また、改行コードとしてLF('\n')コードを期待しているのだけど、時々、CR＋LFを送ってしまった場合に、CRコードのところに外字領域のごみが表示されてしまうのも、ちょっといただけませんでした。
• TABコード(0x09)もLCD1602の外字領域に割り当たっているのだけど、外字設定していないので、フォントRAMのごみが表示されてしまったため、空白(スペース、0x20)に置き換えます。
• 表示用クラスライブラリの整備
• こっちは、I2Cマスタ側の機能改定。
• Serialクラスのprint()メソッドやwrite()メソッドなどと同様な、Streamクラスに対応したライブラリを整備して使い易くしておきたいと思います。

　そんなこんなで、I2Cスレーブ側の機能改定は解説するまでも無いので、ライブラリの整備について、もう少し詳しく解説してみます。

LcdSubsysライブラリ

　Serialクラスの様な、クラスライブラリを作りました。以下、LcdSubsysライブラリの仕様です。

　　LcdSubsysライブラリ仕様：

• インクルード：LcdSubsys.h
• クラス名：LcdSubsys
• インスタンス：LcdSubsys　Lcds;
• LcdSubsys.hファイルを#includeすると、LcdSubsysクラスのインスタンスLcdsが宣言されています。
• メソッド：
• begin (int slv_adr, long fscl=100000);
• LcdSubsysクラスを初期化します。
• LCDサブシステムのI2Cスレーブアドレスがslv_adrと見て、バックログとLCD画面を消去します。
• この過程で、LCDサブシステム(I2Cスレーブ)が応答しなかった場合には、エラーステータスがセットされ真理値Lcdsがfalseを返します。
• I2Cの通信クロック周波数をfscl[Hz]に設定します。
• パラメータを省略すると100kHzとなります。
• もし、現在の設定値のまま変更したくない場合には、fscl＜0の値を渡してください。
• cgram (int cgnum, const char *cgpat);
• 外字番号cgnumに外字フォントcgpatを書き込むメソッドです。
• cgnumは0〜7の範囲に無いと、エラー(LcdsErrParam)を返します。
• cgpatには、CGRAMへ書き込む8バイトのフォントデータへのポインタを指定してください。
• ※「#10-7　LCD1602の外字フォントを使う」にて拡張したメソッドです。
• 読み出し系メソッド：
• LcdSubsysライブラリでは読み出し機能は不必要なので、read()やavailable()など読み出し系のメソッドには対応していません。
• 書き込み(表示)系メソッド：
• write()から始まって、お馴染みのprint()、println()メソッドなど、Streamクラスから継承したメソッドが使用可能です。
• 制御コード仕様：
• LcdSubsysクラスと言うよりは本体のLCDサブシステム側の機能ですが、ここで説明しておきます。
• '\f'：このコードを送信すると、バックログとLCD画面を消去します。
• '\v'：このコードを送信すると、バックログだけを消去します。
• '\r'：改行せずに、受信バッファの先頭にポインタを戻します。続けてデータを受信すると、上書きしながら受信します。
• '\n'：改行します。改行すると初めて、バックログに登録されてLCDに表示されます。
• '\a'：バッファ書き込みポインタを＋1(右に1文字)進めます。
• '\t'：このコードは、1文字の空白(スペース、0x20)に置き換えられます。
• '\b'：外字フォントの設定を実行します。詳しくは「#10-7　LCD1602の外字フォントを使う」を参照してください。
• インストール方法：
• ZIP形式のファイル(以下)をダウンロードします。
• LcdSubsysライブラリ：LcdSubsys.zip
• 既に、旧バージョンのLcdSubsysライブラリがインストールされている場合：
• <My Documents>\Arduino\libraries\LcdSubsysディレクトリを削除します。
• LcdSubsysライブラリをインストールします。
• Arduino IDEを起動し直します。
• 「スケッチメニュー ⇒ ライブラリをインクルード ⇒ .ZIP形式のライブラリをインストール」を実行します。
• ファイルの場所を問われるので、LcdSubsys.zipの格納パスを指定します。
• 「スケッチメニュー ⇒ ライブラリをインクルード」の中に、「LcdSubsys」が追加されていればOKです。

LCDサブシステムを構築する

　準備は整いましたので、Arduino Pro Miniを使った、I2Cスレーブ側のLCDサブシステムを構築していきます。回路図は「#3-3　I2C接続 LCD表示モジュール」と同じですが、再掲載しておきます(下図)。



　Pro MiniはUNOとほぼ同じですので、上図のUNO側(スラッシュ(／)記号の左側)端子を使って接続します。
　前節でLcdSubsysライブラリをインストールしてあれば、Arduino IDEから「ファイルメニュー ⇒ スケッチ例 ⇒ LcdSubsys ⇒ lcd_subsys.ino」と辿って、lcd_subsys.inoをPro Miniへコンパイル＆書き込んでください。


　これで完成ですが、LCDサブシステムは単体では特に何もしません。ただの表示器ですので。もう1機別なArduinoを起動してI2C接続(I2Cマスタ)して使用します。I2Cマスタ側のArduinoでLcdSubsysライブラリ(LcdSubsys.h)をインクルードすると、print()メソッドなどを使ってLCDに表示が可能となります。

時計をつくる

　LcdSubsysライブラリのサンプルとして、時計を表示するプログラムを作ってみました。前に、Raspberry PiとLCDサブシステムを接続して時計を作ったのだけど、そのArduino版となります。

　　LCD時計の仕様：

• LcdSubsysライブラリのサンプルとする。
• ファイルメニュー ⇒ スケッチ例 ⇒ LcdSubsys ⇒ lcd_clock.ino
• LCDサブシステムを除き、外部回路無しで動作可能なサンプルとする。
• RTC(Real Time Clock)モジュールなとを使いたい場合には、各自対応。
• シリアルモニタで受け付けるコマンド仕様：
• mset,<yy>,<mm>,<dd>,<HH>,<MM>,<SS>
• シリアルモニタから現在日時を設定します。
• who
• help
• LCDへの表示仕様：
• 1行目：　yyyy/mmm/dd(www)
• 2行目：　HH:MM:SS [AM]JST
• この表示はPi ZeroWと同じ。ただし、タイムゾーン「JST」だけは決め打ち（１＾＾；）。

　時計の実装については、「#5-9　JJYのエミュレーション」や「#9-1　喋る気温・湿度計」で解説してあります。

表示してみよう

　では、LCDサブシステムのPro Miniとは別に、もう1機Arduinoを用意して以下の様に接続しましょう。筆者はArduino UNOを使いました。

※上表では、Pro Miniの電源(5V)をUNOから供給しています。別な方法で供給する場合は接続しないでください。

　プログラムは、前節でLcdSubsysライブラリをインストールしてあれば、Arduino IDEから「ファイルメニュー ⇒ スケッチ例 ⇒ LcdSubsys ⇒ lcd_clock.ino」と辿って開くことができます。lcd_clock.inoをUNOへコンパイル＆書き込んでください。

　以下、実験中の様子です。



　　実験サンプル：【 】内はシリアルモニタからの送信データ
　　【mset,20,04,06,23,53,50】
　　OK: mset,20,04,06,23,53,50

　LCDサブシステムに時計が表示されましたか？以下は、Pi ZeroWで作成したLCD時計の動画です。今回のArduino版でも、ほぼ同じ表示なので、ご参考まで。




　Pro MiniとLCDサブシステムまで含めて、全てUNOから電源を供給してしまったので、念のため、USB電圧・電流計(下図)でUNOを含めた全体の電流消費量を測定しておきました。結果70mAと、特に問題なしと結論しました。




　逝ってしまった👼Microさんのお陰で一仕事発生してしまいました……Microさんに合掌。